JPH02202202A - マイクロ波自動負荷整合回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えばマイクロ波加熱等において負荷に印加
するマイクロ波電力を安定させるための負荷整合回路に
関する。更に詳しくは単一の整合素子を使用する自動負
荷整合回路に関する。

〔従来の技術〕

近年、各種作業において、マイクロ波電力の利用分野は
益々拡大されている。この場合、負荷に印加するマイク
ロ波電力を常に安定にすることは、品質管理上重要であ
り、そのためにいわゆる負荷整合が行われている。

従来のマイクロ波帯における負荷整合は、負荷への進行
波電力および反射波電力を監視しながら、３個以上のス
タブ整合器やＥ／Ｈ整合器等を手動で操作し、反射波が
最小で進行波電力が最大の点に調整していた。

ところが、上記のような手動による負荷整合では、絶え
ず負荷の変動を監視し、対応動作を遅滞なく行わなけれ
ばならず、急激な変化や変動に正しく迅速に対応するこ
とは困難であった。

そこで本出願人は先に特願昭６１−１６０３６２号（特
開昭６３−１５５０２号）において、上記のような負荷
整合を自動的に行うことのできるマイクロ波自動負荷整
合回路を提案した。

Ｃ発明が解決しようとする課題〕 しかしながら、上記のマイクロ波自動負荷整合回路によ
り負荷整合を自動的に行うという一応の目的は達成した
が、複合スタブ整合器を使用するため構造が複雑となる
等の不具合があった。

本発明は上記の問題点に鑑みて提案されたもので、単一
のスタブ整合器等の単一整合素子を使用した簡単な構成
により、負荷の急変に当たっても負荷整合を自動的に迅
速に行って負荷に常に安定なマイクロ波電力を供給する
ことのできる負荷整合回路を提供することを目的とする
。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため本発明は以下の構成としたも
のである。即ち、管軸方向に溝を設けた導波管または同
軸管の一端を負荷回路に、他端を信号源側に接続し、上
記溝に沿って移動する架台上に、溝を通して管内に挿入
する金属または誘電体製の整合器と、その信号源側に複
数の信号検出探針を置き、負荷回路への進行波成分並び
に反射波成分を検出し、それらの強度並びに位相差に基
づき、整合器を含む負荷回路の反射係数ＩＦ１と、その
偏角θの余弦ＩＪＩＩｒｌｃｏｓθおよび正弦積１ｒｌ
ｓｉｎθに相当する検出回路出力を得、これらによって
架台の位置および整合器の挿入長を変化せしめて自動的
に負荷を整合せしめる如く構成した単一整合素子を使用
する自動負荷整合回路を要旨とする。

〔作　用〕

単一スタブ整合器等の単一整合素子を用いて負荷の整合
をとる場合、第１図のスミス線図で、負荷の示すアドミ
ッタンスが中央の（１，Ｏ）点を通るｇ−１の円上にあ
れば、単一スタブの調整のみで完全に整合されることは
周知のとおりである。

従って、ｇ−１の円周外のアドミッタンスに対しては、
負荷と整合器との距離を変化調整してｇ＝１の円上にあ
る如くすれば、単一スタブ整合器で、全域の負荷アドミ
ッタンスの完全整合が可能となる。

整合スタブが金属棒の場合は、挿入長が信号波長の約Ｘ
以下の場合容量性（即ち、サセプタンスは正）となり、
この点を越すと誘導性となる。誘電体のスタブ（棒状ま
たは板状）では、容量性特性を示す。

第１図のアドミッタンス・スミス線図で、ｇ　−１円上
のＢ点は、規準化アドミッタンスが（１−ｊｂ）だから
、この点で金属性スタブを挿入し、そのサセプタンスを
＋ｊｂとすると（１＋ｊＯ）となり整合される。またＡ
点では一３ｂの誘導性スタブを挿入すれば整合がとれる
。

今、負荷アドミッタンスがｇ＝１の円周上の０点にあっ
たときには、この点から信号源方向に（Ｐａ−Ｐｃ）λ
（λは管内波長）だけスタブを移動させて、金属棒スタ
ブを挿入すれば、整合させることができる。誘電体スタ
ブの場合には、（０゜５Ｐｂ＋Ｐｃ）λだけスタブを負
荷方向に移動させてＢ点とし整合できる。即ち、整合器
を含む負荷側の反射係数によって、適当な位置に単一ス
タブ整合器を移動して、適当な値のサセプタンスを挿入
すればよい。このとき検出回路の探針位置と整合器の間
隔は一定とする。即ち、同一架台上に検出探針と整合器
を固定し、管軸の溝に沿って移動させる。

具体的には信号検出探針によって、管内に流れる進行波
成分および反射波成分を検出し、両者の強度並びに位相
差に基づいて、整合器を含む負荷回路の反射係数１「１
とその偏角θの余弦積１「１ｃｏｓθと正弦積１ｒｌ　
ｓｉｎθに相当する検出回路出力を得る。

この一方の出力電圧で架台を移動させ、他方の出力電圧
でスタブ整合器の挿入長を変化させて自動的に整合させ
るものである。

余弦積と正弦積は直角成分となるから、何れを架台移動
用としてもよいが、ここでは一応、余弦積｜Γ｜ｃｏｓ
θの出力電圧で架台を移動させ、正弦積「ｌ　ｓｉｎθ
の出力電圧でスタブ整合器の挿入長を変化させるとして
説明する。

信号検出探針はできるだけスタブ整合器に近付けるか、
あるいは大体管内波長の２ずらせるとよい。今、余弦積
１ｒｌ　ｃｏｓθが正値を示すときに、架台を負荷方向
へ移動させるとすると、負荷アドミッタンスが第１象限
および第■象限にあるとき、架台は負荷方向に動き、第
■象限および第■象限にあれば信号源方向に移動するこ
とになる。第２図中斜線部は信号源方向への移動となる
。

スタブ整合器として金属棒の容量性を採用し、正弦積ｒ
’　ｓｉｎθの出力電圧でスタブ挿入長を変化させ、正
値のときに挿入長を浅くすることにすると、負債の場合
には挿入長を深くする。即ち、第３図に示す如く、第１
および第■象限内の反射係数に対しては、Ｉｒｌ　ｓｉ
ｎθが正値となるから、容量性スタブ挿入長は減少し、
アドミッタンス線図で同一コンダクタンス円上を容量性
サセプタンスが減少するように下方に移動し始め、第■
および第■象限内（第３図中の斜線内）では、同−ｇ円
上を上方に移動し始めることになる。ただ位相角θの変
化に伴い等価コンダクタンスｇも変化するので、等価サ
セプタンスｂの変化と共に驚、速に整合点（１＋ｊＯ）
の整合点に到達することになる。

例えば、第４図上で第■象限内の規準化アドミッタンス
（ｇ＋＋ｊｂよ）の反射ｒ、の場合には、余弦績の正出
力電圧によって、架台が負荷方向へ移動し、整合器の挿
入長が減少するので、ｇ＋　とｂｔが共に減少して（１
、＋ｊＯ）の整合点に到達する。

第■象限内の反射係数ｒ８の場合には、ｌｒｌ　ｃｏｓ
θが負で、信号源方向へ架台が移動すると共に、整合器
挿入長も浅くなるので、ｇ、が増加すると共にす、が減
少し整合に到る。

第■象限内のｒ３の場合も架台が信号源方向に移動し、
第■象限内に移るので上記のような過程で整合される。

また、第■象限内ｒ４の場合にも、架台が負荷方向に移
動して第■象限内に移るので、上記と同様に整合される
。

この際、整合点付近では、感度を高くした場合往復運動
を起こすことがあるが、極僅小の制御電圧では架台移動
やスラブ挿入長の変化しない不感動区間を設けることで
解消できる。

〔実施例〕

第５図は本発明を導波管回路に実施した場合の構造の説
明図である。方形導波管１の広面の中央に、管軸に沿っ
て細隙２を設け、これに沿って移動する架台３上に、ス
タブ整合器４と、信号検出探針５１　・５８を取付けで
ある。負荷回路は図の右方即ち整合器側に接続し、探針
側から信号出力を印加する。

導波管内を流れる信号の進行波成分と反射波成分が探針
によって抽出され、後述する検出回路によって余弦績１
ｒｌ　ｃｏｓθと正弦積１ｒｌ　ｓｉｎθに相当する制
御電圧となる。これらの出力電圧によって電動機６、と
６□がそれぞれ架台３を移動させ、スタブ整合器４の挿
入長を変化させ、自動的に負荷回路を整合させる。

第６図の如く、本発明の自動整合器本体７の整合器側導
波管口に負荷回路８を接続し、他方に信号源回路９を接
ぐ、ＶｃはＦｌ　ｃｏｓθに相当する検出回路出力電圧
で、増幅器１０．で増幅されたのち、電動機Ｍ１を駆動
して架台３を移動させる。

またｌｒｌ　ｓｉｎθに相当する電圧Ｖｓも１０．で増
幅されたのち、電動機Ｍ２を駆動してスタブ整合器４の
挿入長を変化させる。

導波管内を流れる信号から進行波成分と反射波成分を抽
出し、これらから反射係数の余弦績と正弦積を求めるに
は色々な方法がある０本発明では方向性結合器法と多探
針法を試みた。

第７図は方向性結合器を使用する場合であって、結合器
としては区波長結合器のほか、いわゆるＣＭ結合器を使
用することもできる０図中５１は進行波成分抽出用結合
器、５！は反射波成分抽出用結合器である。結合器５．
の出力は信号分割器１２で２分され、その出力はそれぞ
れ合成検波器１４、と１４８に印加される。一方反射波
成分を検出した結合器５．の出力は、９０度成分分割器
１３によって、入力と同相の成分および９０度位相差の
ある成分に分割され、合成検波器１４．と１４ｔの他方
の入力端子に加えられている。これらの合成検波器はそ
れぞれ入力信号の和および差の電圧を二乗検波し、かつ
一方の出力は、極性を反転させている。

今、負荷の反射係数「の偏角をθ、進行波成分出力をａ
、反射波成分出力をｂとすると、次式のようになる。

合成検波器１４．では、両入力電圧の和および差の電圧
の二乗の差をとることによって、合成出力電圧ｖＡは、
次式のようになる。

ＶＡ　−４ｋ　ａ”１ｒｌｃｏｓθ 一方の合成検波器１４．の方は、反射波成分出力が９０
度位相差を持たされているので、合成出力電圧■、は次
式で示される。

Ｖｓ　＝４　ｋａ”１ｒｌｓｉｎθ この■１と■、には共に４ｋａ”の係数が付いているの
で、必要ならばこれらを１に基準化するために、進行波
成分検出用結合器５１の出力電圧を使い、基準化回路１
５１　と１５ｇで、■＾および■１をＩｒｌ　ｃｏｓθ
およびＩｒ１ｓｔｎθとし、Ｉｒ’１００３θに相当す
る電圧■。および１ｒｌｓｉｎθに相当する電圧Ｖ、と
して、第６図の回路に導けばよい。

マイクロ波帯のインピーダンス直視装置として使用され
ている多探針法も余弦積・正弦積発生回路として用いら
れる。これには４探針法と５探針法があるが、本発明の
自動負荷整合回路としては４探針法で充分である。これ
は例えば、小口文−・太田正光著”マイクロ波・ミリ波
測定”　（コロナ社版８４〜８５頁）に詳述されている
４探針法を本発明に応用すると、第８図の如くなる。

検波器付探針５．・５８　・５．・５４はそれぞれ方形
導波管の広面の中央に、平均管内波長の１７８の距離に
配置されている。このとき、最も負荷に近い探針位置か
ら、負荷側を見た反射係数を１ｒｌｅｘｐθとし、入力
電圧に相当する探針の検出電圧をＶｌとし、検波特性は
自乗だと考え、検波係数をＫと置くと、各探針の出力電
圧は次式のようになる。

Ｖ＋　−Ｋｌｖ　ｉｌ”　　（１＋Ｉｒｌ”　＋　２１
ｒ’ｌ　ｃｏｓｌｌ　）Ｖｌ　＝　ＫＩＶ　ｉｔ”　　
（１＋ｌｒｌ”　−２１ｒｌ　ｓｉｎθ）Ｖｓ　＝　Ｋ
ＩＶ　Ｉｆ”　　（１＋ｌｒｌ”　−２１ｒ’ｌ　ｃｏ
ｓｌｌ　）ＶＡ　−ＫＩＶ　ＩＩ”　　（１＋旧”　＋
　２１ｒｌ　ｓｉｎθ）今、差動増幅器１１＋の入力に
ｖＩと■、を加え、その差を求めると、 ＶＡ　＝Ｖ＋　　−Ｖｓ　　＝４　ＫＩＶ　ｉｌＪ「ｌ
　ｃｏｓθまた差動増幅器１１８でｖ４とｖｔの差電圧
を求めると、 Ｖｓ　　＝Ｖａ　−Ｖｚ　　＝４　ＫＩＶ　ｉｌ”ｌｒ
ｌ　ｓｉｎθとなる。このＶＡとＶ、を必要ならば進行
波成分に相当する値の補正信号で除して基準化し、Ｉｒ
ｌ　ｃｏｓθに相当するＶ、およびｌｒｌ　ｓｉｎθに
相当する電圧Ｖｓとするのが基準化回路１５．と１５．
である、このＶＣとＶ、を第６図の制御回路に印加して
自動整合を行わせる。

なお第７回および第８図中の基準化回路１５゜・１５□
は使用電力による自動整合感度の変化を少なくするため
に使用するもので、その必要の無い場合が多い０本発明
の実施には、４探針法を採用することが多い。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、単一スタブ整合器
等の単一整合素子により、全域の自動負荷整合回路が可
能となった。複雑な複合スタブ整合器やＥ／Ｈ整合器の
代わりに単一スタブ整合器等の使用でほぼ同一効果が得
られた。応答速度も使用上充分であった０例えば周波数
２．４５Ｇ　Ｈｚで、ＶＳＷＲ１０の負荷を接続したと
ころ、本発明による整合回路では１秒以内にＶＳＷＲ１
，１以下に整合された。

なお前記実施例では方形導波管回路として説明してきた
が、本発明は同軸管回路においても、有効に使用可能で
あり、同様の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は単一スタブ整合器の動作説明図、第２図は本発
明の自動負荷整合回路の架台の移動説明図、第３図は同
サセプタンス変化説明図、第４図は負荷整合器の説明図
、第５図は本発明の整合器本体の概略図、第６図は電動
機による駆動回路図、第７図は方向結合器による制御電
圧検出回路図、第８図は４探針法を採用した場合の制御
電圧検出回路図である。 １は溝付導波管、２は結合溝、３は移動架台、４はスタ
ブ整合器、５１　・５．・５．・５４　・５゜は検出探
針、６．・６□は電動機、７は整合器本体、８は負荷回
路、９は信号源回路、ｔｉｔ　　・１０８は増幅器、１
１１　・１１．は差動増幅器、１２は信号分割器、１３
は９０度成分分割器、１４１・１４８は合成検波器、１
５．・１５ｇは基準化回路、１６１　・１６□　・１６
．・１６４は検波器。 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）管軸方向に溝を設けた導波管または同軸管の一端
   を負荷回路に、他端を信号源側に接続し、上記溝に沿っ
   て移動する架台上に、溝を通して管内に挿入する金属ま
   たは誘電体製の整合器と、その信号源側に複数の信号検
   出探針を置き、負荷回路への進行波成分並びに反射波成
   分を検出し、それらの強度並びに位相差に基づき、整合
   器を含む負荷回路の反射係数｜Γ｜と、その偏角θの余
   弦積｜Γ｜ｃｏｓθおよび正弦積｜Γ｜ｓｉｎθに相当
   する検出回路出力を得、これらによって架台の位置およ
   び整合器の挿入長を変化せしめて自動的に負荷を整合せ
   しめる如く構成した単一整合素子を使用する自動負荷整
   合回路。